一種Al-O-N擴散阻擋層及製備方法

2023-08-07 04:21:36 2

專利名稱：：一種Al-O-N擴散阻擋層及製備方法
技術領域：
：本發明涉及塗層技術，具體地說是一種Al-O-N擴散阻擋層及製備方法。
背景技術：
：燃氣輪機葉片用高溫防護塗層對其使役壽命至關重要，迄今燃氣輪機葉片經歷了鉬化物擴散塗層，鉑鋁化物擴散塗層，MCrAlY(lVNM和/或Co)塗層和熱障塗層四代的發展。作為第三代燃氣輪機葉片塗層材料，MCrAlY塗層具有優異的抗高溫氧化腐蝕的性能，而皿本不影響基體合金的力學性能，因此目前在全世界範圍內作為高溫防護塗層材料或熱障塗層的粘結底層材料被普遍研究和應用。相關應用的文獻如①中國發明專利，一種爆炸噴塗製備熱障塗層的方法，申請號01133423.1;②中國發明專利，一種抗氧化熱障塗層及製備方法，申請號02133193.6;③中國發明專利，一種抗熱衝擊熱障塗層的製備方法，申請號03133344.3;中國發明專利，一種MCoCrAlYS氾抗熱腐蝕塗層及其製備方法，申請號03m363,X;等等。但是，在燃氣輪機葉片服役的高溫環境下長時間工作，MCrAlY塗層與高溫合金基體間的元素互擴散會顯著加劇，將導致很多不良後果:(1)MCrAlY塗層中Cr、Al元素向基材內部擴散，影響了塗層表面保護性氧化膜的持續生長，使塗層體系遭受嚴重的高溫氧化而失效；(2)互擴散在塗層與基條面區產生柯肯達爾孔穴，使MCrAlY塗層與基體的結合力下降；(3)擴散區形成的空洞降低體系疲勞強度；(4)擴散區形成的大尺寸金屬間化合物會增加裂紋生長逸度，導致基材斷裂，產生災難性後果。因此，為保證高溫防護塗層的長期高溫穩定性，需要在MCrAlY塗層和高溫合金間加擴散阻擋層，抑制塗層與基材間的元素互擴散。大多數元素在A1203中的擴散係數非常低，用公式x:C^可以估算元素在Al203中的擴散。在110(TC下，取C^，經過104小時後，Al在Al203中擴散的距離還不到0.1微米；經過100小時，&在0"203中的擴散距離超過30微米；經過l小時，Co在CoO中的擴散距離達到50微米。儘管這些數據只是塊體材料中的擴散數值，但也定性的說明了Al203是一種優良的惰性化合物阻擋層。另外,Al203化學性質極穩定，抗氧化性能良好，不易發生化學反應。Al-O-N擴散阻擋層的主要成分是A1203,在多晶A1203中摻雜N元素生成細小A1N顆粒彌散分布在多晶A1203中的結構可以改善陶瓷膜的韌性,這也是選擇多晶Al-O-N薄膜作為擴散阻擋層的主要原因。至今，採用多晶Al-O-N薄膜作為MQA1Y塗層和高溫合金間的擴散阻擋層尚未見報導。
發明內容為了抑制MCrAlY塗層與高溫合金基體間的金屬元素互擴散，提高塗層的高溫穩定性，本發明的目的在於提供一種有效的Al-O-N擴散阻擋層及製備方法。為了實現上述目的，本發明的技術方案是本發明Al-O-N擴散阻擋層的相結構以a-Al203為主，原子百分比佔60~90%;並含有六方的A1N，原子百分比佔10~40%。本發明以純鋁為靶材，控制反應過程中02和N2流量，採用電弧離子鍍技術在高溫合金基體上沉積Al-O-N擴散阻擋層，然後釆用電弧離子鍍技術沉積MCrAlY塗層。具體製備過程及參數為步驟1)電弧離子鍍之前對試樣進行預處理，試樣經金相砂紙研磨至ioocf後，用粒度60~220目的玻璃球在25個大氣壓下對試樣進行溼噴砂；噴砂過程中，保持噴槍與試樣表面呈7080度角。噴砂後，用無水酒精、蒸餾水超聲清洗試樣；通過預處理，以改善基體的表面情況，增強塗層與基體的結合強度。步驟2)在預處理後的高溫合金基體上電弧離子鍍製備Al-O-N擴散阻擋層；試樣裝爐後，將樣品室抽至2.0xl(r31.0xl(T2pa,通入Ar氣，壓力為5xl(T2~3xl0"Pa,€1莫前加-600~-1000V的偏壓進行輝光放電轟擊基體表面2~8min,弧電流為60~80A，弧電壓為20-40V,高壓轟擊能有效去除基體表面的汙染物；轟擊結東後，iIA氧氣和氮氣，控制氧氮的流量0~260sccm(氧氮的流量優選範圍為02:15~30sccm，N2:230~245sccm),工作壓強2xl(T1~1Pa,脈衝偏壓0~-400V，佔空比20~40%，沉積時間2(K50min,阻擋層厚度為l5nm;步驟3)製備抗氧化塗層。與MCrAlY(M=M,Co或Ni+Co)防護塗層結合應用，在Al-O-N擴散阻擋層上採用電弧離子鍍製備抗氧化MQA1Y塗層，厚度約20~50,,電弧離子鍍製備MCrAlY塗層的工藝參數如下通入Ar氣，壓力為5xl0-2~5xl0"Pa，偏壓-50~-350V,弧電流為5080A,弧電壓為10-40V,佔空比0~40%，沉積時間300~900min，厚度為20-50pm;所述MCrAlY塗層合金成分，按質量百分比計，Co為(M0%,Cr為1540%,Al為6~16%，Y為0.1-1%,Si為0-2%,Hf為0-1.5%,B為0-0.2%,M為餘量。沉積塗層後樣品進行真空熱處理，以<8"C/分的逸度升溫，在550^650。C下保溫05小時，然後在70(K900。C下保溫小時，樣品隨爐冷卻，真空度〈lxlO"Pa。本發明具有以下優點1、阻擋合金元素擴散性能優。本發明Al-0-N擴散阻擋層以(x-Al203為主，許多元素在a-Al203晶體中的擴散係數非常低，比在其他陶瓷相和合金相中小4-6個數量級或者更多。2、良好的結合強度。本發明釆用電弧離子鍍(AIP)方法具有高離化率、高離子能量的優點，製備的Al-O-N擴散阻擋層和MCrAlY防護塗層結合強度高。3、本發明製備成本低，操作工藝簡單，容易實現工業化生產。4、本發明所涉及的這種Al-O-N擴散阻擋層，組織緻密，與基體結合良好，在高溫氧化條件下能有效斷氐MCrAlY塗層與高溫合金基體間金屬元素互擴散，改善MCrAlY塗層的高溫性能，是一種性能優異、有應用前景的擴散阻擋層。5、本發明適用於鎳基高溫合金。圖1為不同氧氮流量下製備的Al-O-N薄膜的XRD圖譜。圖2(a)-(b)為DSMll/NiCoCrAlY(a)、DSM11/Al-ON/NiCoCrAlY(b)塗層樣品1050。C下氧化100h後截面元素分布。圖3(a)-(d)為DSMll/NiCoCrAlY(a)、DSM11/Al-0-N/NiCoCrAlY(b)塗層樣品90(TC下氧化1400h後截面形貌和相應元素線掃描。具體實施例方式下面通過實例對本發明作進一步詳細說明。實施例1本實施例為在1Crl8M9Ti不鏽鋼基體上沉積Al-O-N薄膜，試樣尺寸為15mmxl0mmx2mm,乾材為純銷乾。離子働莫前對基材進行研磨、噴砂和清洗處理，釆用粒度6(K220目的玻璃來在25個大氣壓下對試樣進行溼噴砂，噴砂過程中，保持噴槍與試樣表面呈7080度角；噴砂後，用無水酒精、蒸餾水超聲清洗試樣。將試樣裝爐後，樣品室抽至6.0xl(^Pa,通入Ar氣至壓力為7xl(^Pa，在畫1000V的偏壓轟擊基體表面4min,弧電流為6070A,弧電壓為2030V;轟擊結束後，通入氧氣和氮氣，氧流量為15、30sccm,對應的氮流量為245和230sccm,脈衝偏壓為-300V，佔空比30%,沉積時間30min，獲得23,厚的Al-O-N薄膜。圖1為不同氧氮流量下製備的Al-O-N薄膜的XRD圖譜。可以看出，電弧離子鍍技術製備的Al-O-N膜為多晶膜，相結構以a-Al203為主，同時含少量的六方A1N相和金屬Al(其中金屬Al的原子百分比在5%以下)。氣體總量為260sccm,在N2流量為230sccm時，薄膜中纖鋅礦結構的六方A1N的衍射峰較弱，僅可見，A1N與Al相原子百分比佔10~16%間；當N^流量為245sccm時，Al-O-N膜除了在衍射角為37.8。和43.3°處出現了a-A1203(110)和(113)的強衍射峰外，同時於衍射角33.2。和36.0°處出現A1N(100)和(002)的衍射峰，但薄膜仍以a-Al203相為主，原子百分比佔60~83%;在各種Al-O-N薄膜中，金屬Al的衍射峰較弱，僅可見。試驗表明，當氧流量30260sccm,氮流量2300sccm時，Al-O-N膜分別於衍射角為37.8。和43.3°處出現了(110)和(113)的強衍射峰,沒有出現A1N的衍射峰。實施例2本實施例為Al-O-N擴散阻擋層在DSMll高溫合金基體上的應用。試樣尺寸為15x10x2mm3。基體經金相砂紙研磨，清洗和噴砂處理(220目玻璃丸，溼噴)。在國產MP-8-800型電弧離子鍍設備上沉積Al-O-N薄膜和MCoCrAlY塗層，陰極靶材分別為金屬銷(99%,wt.%)和M32Co20Cr8Al0.5Y(wt。/。)合金，先沉積23,厚的Al-O-N薄膜，再沉積4(K50ium的MCoCrAlY塗層，沉積工藝參數見表l。塗層後樣品進行真空熱處理，以〈8"C/min的速度升溫，在900'C下保溫4小時,樣品隨爐冷卻，真空度〈lx10"Pa。表l實施例2中電弧離子鍍工藝參數tableseeoriginaldocumentpage8製備的Al-O-N擴散阻擋層可以成功阻擋NiCoCrAlY塗層和DSM11合金基體間的元素互擴散，如圖2(a)-(b)為1050。C靜態空氣下氧化100小時的情況，圖3(a)-(d)為900。C靜態空氣下氧化1400小時的情況。在沒有擴散阻擋層的樣品中，NiCoCrAlY塗層和DSMll高溫合金基體間互擴散明顯，Ni,Ti，Cr和Co等元素無濃度梯度(圖2(a)和圖3(a)-(b));在含有Al-O-N擴散阻擋層的樣品中，阻擋層與MCoCrAlY塗層和DSMll基體結合良好，Ni，UCr和Co等元素在阻擋層附近呈明顯的梯度分布(圖2(b)和圖3(c)-(d)),尤其是明顯抑制了對MCoCrAlY塗層高溫氧化性能不利的Ti元素的向外擴散。權利要求1.一種Al-O-N擴散阻擋層，其特徵在於，擴散阻擋層的相結構以α-Al2O3為主，原子百分比佔60～90％；並含有六方的AlN，原子百分比佔10～40％。2.按照權利要求l所述的Al-O-N擴散阻擋層，其特徵在於所述Al-O-N擴散阻擋層厚度為1~5拜。3.按照權利要求l所述的Al-O-N擴散阻擋層的製備方法，其特徵在於釆用電弧離子鍍技術，以純鋁為靶材，控制反應過程中02和N2流量，在高溫合金基體上沉積Al-O-N擴散阻擋層。4.按照權利要求3所述的Al-0-N擴散阻擋層的製備方法，其特徵在於電弧離子鍍之前對試樣進行預處理，釆用粒度60220目的玻璃球，在2-5個大氣壓下對試樣進行溼噴砂，噴砂過程中，保持噴槍與試樣表面呈7080度角；噴砂後，用無水酒精、蒸餾水超聲清洗試樣。5.按照權利要求3所述的Al-0-N擴散阻擋層的製備方法，其特徵在於，電弧離子鍍製備阻擋層過程如下在預處理後的高溫合金基體上沉積Al-O-N擴散阻擋層，試樣預處理後裝爐，將真空室抽至2.0xl0d1.0xl(r2Pa;通入Ar氣，壓力為5x10-2~3xlO"Pa;4剷莫前加-600~-1000V的偏壓弧光放電轟擊基體表面28min,弧電流為6080A，弧電壓為20-40V;對基體轟擊結束後，通入氧氣和氮氣沉積Al-O-N擴散阻擋層，氧氮的流量控制在0~245sccm,工作壓強2xlO"lPa，脈衝偏壓0-400V,佔空比20~40%,沉積時間20~50min。6.按照權利要求5所述的Al-O-N擴散阻擋層的製備方法，其特徵在於所述氧氮的流量優選範圍為02:15~30sccm,N2:230~245sccm。7.按照權利要求3所述的Al-O-N擴散阻擋層的製備方法，其特徵在於基體為鎳基高溫合金。8.按照權利要求3所述的Al-O-N擴散阻擋層的製備方法，其特徵在於與MCrAlY防護塗層結合應用，在Al-O-N擴散阻擋層上釆用電弧離子鍍製備抗氧化MCrAlY塗層,厚度約20~50|nm,具體工藝參數如下:通入Ar氣,壓力為5xl0—2~5xlO"Pa,偏壓-50--350V,弧電流為50-80A,弧電壓為10~40V，佔空比0~40%;所述MCrAlY塗層合金成分，按質量百分比計，Co為0^40%,Cr為1540%，Al為6~16%，Y為0.1-1%,Si為0-2%,Hf為0-1.5%，B為0-0.2%，Ni為餘量。9.按照權利要求8所述的Al-0-N擴散阻擋層的製備方法，其特徵在於塗層後樣品進行真空熱處理，以〈8。C/分的速度升溫，在550^650。C下保溫(K5小時，然後在700^900。C下保溫^8小時，樣品隨爐冷卻，真空度〈lxlO"Pa。全文摘要本發明涉及塗層技術，具體地說是一種Al-O-N擴散阻擋層及製備方法，與MCrAlY(M＝Ni，Co或Ni+Co)防護塗層結合應用；採用電弧離子鍍技術，以純鋁為靶材，控制反應過程中O2和N2的流量，在高溫合金基體上沉積Al-O-N擴散阻擋層，然後採用電弧離子鍍技術沉積MCrAlY塗層。本發明所涉及的這種Al-O-N擴散阻擋層，組織緻密，與基體結合良好，在高溫氧化條件下能有效降低MCrAlY塗層與高溫合金基體間金屬元素互擴散，改善MCrAlY塗層的高溫性能；而且工藝簡單，容易實現工業化生產，是一種性能優異、有應用前景的擴散阻擋層，適用於鎳基高溫合金。文檔編號C23C14/02GK101314853SQ20071001152公開日2008年12月3日申請日期2007年6月1日優先權日2007年6月1日發明者劉山川,勇姚,超孫,駿宮,李偉洲,王啟民,聞立時,鮑澤斌申請人:中國科學院金屬研究所